(57)【要約】【課題】低カロリーガスを燃料として熱安定性がよく効率的な燃焼を行えるガスタービン機関の燃料噴射ノズルを提供する。【解決手段】ガスタービン機関における燃焼器２０の頂部に装着され、かつ周囲に燃焼器２０の筒内に向けて燃料ガス噴射用の多数の噴孔３４を同心状に開口した燃料噴射ノズル２８であって、該噴射ノズル２８の周囲において、頂部に開口され、かつ燃焼器内部で旋回流を生じさせるための圧縮空気噴射用のスワラ３６の傾斜方向に対して、各燃料ガス用の噴孔３４が逆向きの旋回流を生ずべく逆向きのスワラ噴孔型とした。【選択図】  図２
2005300019.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン機関における燃焼器の頂部に装着され、燃料ガス噴射用の複数の噴孔を該燃焼器の内部に向けて周状に配置した燃料噴射ノズルであって、
該噴射ノズルの周囲において前記頂部に開口されて前記燃焼器の内部に空気の旋回流を生じさせる圧縮空気噴射用のスワラの旋回方向に対して、前記燃料ガス噴射用の各噴孔が前記空気の旋回流と逆向きの燃料ガスの旋回流を生ずべく逆旋回方向のスワラ噴孔型とされたことを特徴とするガスタービン機関の燃料噴射ノズル。
【請求項２】
前記スワラ噴孔型の燃焼器軸方向に対する旋回角度が、
式：０．５≦（ρg ／ρa ）×（ＳＮgas ／ＳＮair ）≦１．５
( 但し、ＳＮgas ＝ガススワラのスワール数、ＳＮair ＝空気スワラのスワール数、ρg ＝燃料ガス密度、ρa ＝空気密度）
を満足するように設定されたことを特徴とする請求項１記載のガスタービン機関の燃料噴射ノズル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービン機関の燃料噴射ノズルに関し、特に低カロリーガスを燃料とした場合における熱安定性の向上技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図８に従来の単筒形ガスタービン機関の構造の一例を示す。このガスタービン１は、空気圧縮部２、燃焼器３、タービン部４とからなっており、圧縮部２及びタービン部４のケーシングには共通の出力軸５が回転可能に軸支され、それぞれその外周に圧縮機ロータ６及び多段膨張式タービンロータ７が固定されている。
【０００３】
空気圧縮部２の吸気口８から吸い込まれた空気はロータ６の回転により圧縮され、高温高圧の状態で燃焼器３に導かれる。燃焼器３に導入された空気はその頂部に設けた燃料噴射ノズル１０を通じて供給された燃料と混合され、高温高圧の燃焼ガスとなり、そのエネルギーによりタービンロータ７を回転させ、その回転力の一部がロータ６の回転動力になると同時に、残部が出力軸５の回転動力として取り出され、発電機などを駆動する。また、仕事を終えた膨張ガスは排気部９を通じて外部に排出される。
【０００４】
この構造においては、燃焼器３の頂部に燃料噴射ノズルを設け、灯油、軽油、重油などの液体燃料を噴射するほか、気体燃料も噴出させる併用型構造もあり、併用型の場合には状況に応じて液体またはガス燃料の使い分けができるため、経済効率が高い。
【０００５】
図９は、その気液併用型の噴射ノズル１０を設けた燃焼器３における頂部の拡大断面の一例を示すもので、１１はタービン部４のケーシングにフランジ結合し、頂部に前記噴射ノズル１０を固定した外筒、１２は外筒１１の内側に同心状に配置された内筒であり、ノズル１０の先端は内筒１２の頂部から下方に突出し、ノズル１０の中心部より液体燃料が噴射されるほか、ノズル１０の周囲にはノズル１０の一側部に沿って形成されたガス供給経路１３に連通した多数の燃料ガス噴孔１４が同心上に開口され、この噴孔１４を通じて燃料ガスが内筒１２の内部に噴射される。
【０００６】
また、ノズル１０の周囲にあって内筒１２の頂部には複数の空気供給用スワラ１５が同心かつ中心部側に向けて斜めに開口し、ここより内筒１２の内側に前記圧縮空気を噴出できるようになっている。また、このスワラ１５は周方向に沿って斜めに形成され、燃焼室内部に図１０（ａ），（ｂ）に黒い矢印で示すような旋回流を生じながら供給されることで燃料ガスとの混合率を高めるようにしている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、前記燃料噴射口１４は、従来では一般に図１０（ａ）に示すように縦方向に沿って配置されているため、燃料ガスは中心部で濃く、周縁では薄くなりがちである。
【０００８】
また、図１０（ｂ）に示すように、噴射口１４を円周方向に対してほぼ４５°の角度で斜めキリ孔加工を施すことで、燃料ガスそれ自体にも矢印のごとく旋回流を生じさせる構造もあるが、この場合においても旋回流は空気の旋回方向に対して順方向となっていたため、混合が十分ではなく、効率が悪かった。
【０００９】
但し、例えば都市ガスのように比重が軽く、メタンなどの成分を多量に含むガスでは、このような構造における効率低下は生じず、問題とならない。
【００１０】
しかし、例えば生ゴミなどの廃棄物よりバイオマス技術などを利用して生成したガス（以下消化ガスと称する）ではメタン（可燃成分）の濃度が低く、ＣＯ2 等の不活性成分が多く含まれているため、前述の構造ではその影響が顕著なものとなる。
【００１１】
以下において、都市ガスと代表的な消化ガスについて、各ガス中の成分及び体積割合を比較した結果と（表１−１及び１−２）、同じく各々の物性を比較した結果（表２）をそれぞれ表形式で示す。
【００１２】
（表１−１）
2005300019.tif 000003
【００１３】
（表１−２）
混合ガス中の    ヘキサン  窒素  酸素  二酸化炭素    水蒸気
体積割合
都市ガス
消化ガス                 1.20  0.30     37.80        2.80 
【００１４】
（表２）
物性        燃焼速度      比重      総発熱量    真発熱量
（単位）      cm/S        Nm3/Nm3     MJ/Nm3       MJ/Nm3 
都市ガス      40.12          0.65       46.05        41.61
消化ガス      19.98          0.94       24.00        21.58
【００１５】
以上の表１、２からも明らかなように、燃料ガスとして消化ガスを用いた場合には、同じ発熱量を得るのに約２倍の燃料が必要となる。また、比重が約１．０と都市ガスに比べて重く、ガス運動量が高くなり、噴出方法の変更が必要である。また燃焼速度が都市ガスの約半分であることから、保炎性が悪化する。さらに二酸化炭素などの不燃性ガスを多量に含むため、火炎温度が下がる。このように消化ガスは、燃料ガスとして使用するためには種々の問題点を有しており、従来は消化ガスをガスタービンの燃料としてそのまま実用化することは困難であった。
【００１６】
本発明は、以上の課題を解決するものであり、その目的は前述の消化ガスのごとき低カロリーガス燃料であっても熱安定性がよく、効率よく燃焼させることができるようにしたガスタービン機関の噴射ノズルを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
前記目的を達成するため、本発明は、ガスタービン機関における燃焼器の頂部に装着され、燃料ガス噴射用の複数の噴孔を該燃焼器の内部に向けて周状に配置した燃料噴射ノズルであって、
該噴射ノズルの周囲において前記頂部に開口されて前記燃焼器の内部に空気の旋回流を生じさせる圧縮空気噴射用のスワラの旋回方向に対して、前記燃料ガス噴射用の各噴孔が前記空気の旋回流と逆向きの燃料ガスの旋回流を生ずべく逆旋回方向のスワラ噴孔型とされたことを特徴とするものである。
【００１８】
また、本発明では、前記スワラ噴孔型の燃焼器軸方向に対する旋回角度が、以下の式を満足する値であることが望ましい。
式：０．５≦（ρg ／ρa ）×（ＳＮgas ／ＳＮair ）≦１．５
( 但し、ＳＮgas ＝ガススワラのスワール数、ＳＮair ＝空気スワラのスワール数、ρg ＝燃料ガス密度、ρa ＝空気密度）
【発明の効果】
【００１９】
以上の構成により、本発明にあっては、燃料ガスの旋回流と空気の旋回流が逆向きとなるため、互いに旋回流をうち消し合うと同時に混合が促進され、これによって火炎が外周に偏るのが防止され、中心部にも火炎が保持され、燃焼器全体に火炎が分散する。また、旋回させて噴出することによって軸方向速度が低下する。
【００２０】
このため、例えば消化ガスのように、比重が重く低カロリーの燃料ガスであっても適度に分散させつつ効率よく、かつ安定して燃焼させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の好ましい実施の形態を添付図面を参照して説明する。図１は本発明にかかるガスタービン機関における燃焼器の頂部を示す部分縦断面図、図２は同要部拡大断面図、図３は同平断面図及び側面図である。
【００２２】
図１において、ガスタービン機関の燃焼器２０は、タービンのステータハウジング２２における燃焼ガス取入用の上部開口にフランジ結合した外筒２４と、外筒２４の内側に同心状に配置された内筒２６とを備えており、外筒２４の頂部に噴射ノズル２８を固定し、その先端噴射口を内筒２６の頂部内側に向けている。
【００２３】
噴射口の中心には図２に示すように液体燃料噴射ノズル部３０が設けられ、内部に導入された圧縮空気を噴射ノズル２８の先端部側面を貫通した空気導入口３０ａを通じて燃料とともに混合しつつその中心より噴射するようになっている。
【００２４】
ノズル２８の周囲にはノズル２８の一側部に沿って形成されたガス供給経路３２に連通した多数の燃料ガス噴孔３４が同心上に開口され、この噴孔３４を通じて燃料ガスを内筒２６の内部に噴射する。
【００２５】
さらに、ノズル２８の周囲にあって内筒２６の頂部には従来と同様に複数の空気供給用スワラ３６が同心かつ中心部側に向けて斜めに開口し、ここより内筒２６の内側に前記圧縮空気を噴出できるようにしている。また、このスワラ３６は周方向に沿って斜めに形成され、燃焼室内部に図３に黒い矢印で示す旋回流を生じながら供給されることで燃料ガスとの混合率を高めるようにしている。
【００２６】
ここで、前記各噴孔３４は図２の一部にＡ−Ａ線での断面を示すように、その噴孔３４を通る接線方向の面内において、直角方向に対しθ分の旋回角度に形成されたスワラ噴孔型とし、これによって旋回流を生じさせるようになっており、かつこの旋回流の旋回方向は図３の白抜き矢印に示すごとく、前記圧縮空気のスワラ３６とは逆方向となっている。
【００２７】
この旋回角度θは、次の式を満足する値に設定されている。
式：０．５≦（ρg ／ρa ）×（ＳＮgas ／ＳＮair ）≦１．５
( 但し、ＳＮgas ＝ガススワラのスワール数、ＳＮair ＝空気スワラのスワール数、ρg ＝燃料ガス密度、ρa ＝空気密度）
【００２８】
一例としては、θ＝５０°の設定角度とすることで、以上の式を満足する特性が得られる。  なお、図１中符号３８は内管２６の上部側面にあけられた複数の空気孔、４０は同じく内管２６の下部側面にあけられた複数の希釈孔である。
【００２９】
以上の本発明にかかる逆旋回型噴射ノズル（スワラ逆旋回）と、従来の直進噴孔型ノズル（直進噴孔）及び斜め孔順旋回型ノズル（斜め穴順旋回）（従来例はいずれも図１０に示す）を装着した燃焼器における全体当量比（空気に対する燃料ガスの当量比）と燃焼効率、及びパターンファクタとの関係を測定した結果、図４、図５にグラフに示す結果が得られた。測定は大気圧下での燃焼試験であり、実際の運転では高圧で行われるため、さらに燃焼効率、パターンファクタとも良好なものとなる。
【００３０】
なお、燃焼効率（η）は測定値を以下の式に当てはめて算出される。
η＝１−（ＵＨＣE1＋０．２３２ＣＯEI）×１０-3
（但し、ＵＨＣE1：ＵＨＣ（Unburnt Hydro Carbon）のＥＩ(Emission Index, g/kg)値、ＣＯEI：ＣＯのＥＩ値である。）
【００３１】
またパターンファクタ（ＰＦ）は以下の式に基づき算出される。
ＰＦ＝（Ｔmax −Ｔ4 ）／（Ｔ4 −Ｔ3 ）
（但し、Ｔmax ＝最高計測温度、Ｔ3 ＝平均燃焼器入口温度、Ｔ4 ＝平均燃焼器出口温度である。）
なお、パターンファクタは小さいほど均一な燃焼が行われていることを示唆する。
【００３２】
図４の燃焼効率の測定結果から、本発明のものは従来に比べて全体当量比が小さく、すなわち燃料ガスが希薄であっても保炎性が良好であり、負荷遮断時における当量比を小さく保つことができることが判明した。
【００３３】
図５のパターンファクターの測定結果から、本発明のものは従来に比べて全体当量比全般にわたってその値が小さく、かつ変化が小さく保たれ、均一な燃焼が行われていることが判明した。
【００３４】
次に、バーナ部の燃料ガス噴射方向による軸方向速度分布への影響を計算した結果、図６に示す分布のシミュレーション結果を得ることができた。この結果からは、本発明の逆旋回型に比べ、順旋回型では逆流領域がやや広くなることが確認された。
【００３５】
また、同じくガス燃料濃度に対する影響を計算した結果、図７に示す分布のシミュレーション結果を得ることができた。
【００３６】
このシミュレーション結果から逆旋回では燃焼領域の中心部の燃料濃度が比較的濃くなることが判明した。またこのシミュレーション結果と前述の燃焼試験結果では、共に順旋回では外周部に火炎ができ、逆旋回では全体に火炎ができる結果を得ることができ、燃焼試験結果とシミュレーション結果による濃度分布は定性的に一致していることが確認された。
【００３７】
以上により本発明では、次の効果があることが確認された。
（１）燃料ガスと空気との混合が促進される。
（２）中心部分の保炎性を確保できる。
（３）パターンファクターが良好となる。
（４）低負荷側での燃焼効率が改善される。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明にかかるガスタービン機関における燃焼器の頂部を示す部分縦断面図である。
【図２】図１のイ部拡大断面図である。
【図３】同平断面図及び側面図である。
【図４】本発明と従来の燃焼効率を比較したグラフである。
【図５】同パターンファクタを比較したグラフである。
【図６】（ａ），（ｂ）は本発明の逆旋回と順旋回における速度分布を示す説明図である。
【図７】（ａ），（ｂ）は本発明の逆旋回と順旋回と左旋回におけるガス濃度分布を示す説明図である。
【図８】従来の単筒形燃焼器を搭載したガスタービン機関を示す概略断面図である。
【図９】同燃焼器の頂部を示す部分拡大図である。
【図１０】（ａ），（ｂ）は同平断面図及び側面図である。
【符号の説明】
【００３９】
２０  燃焼器（ガスタービン機関）
２８  燃料噴射ノズル
３４  噴孔
θ  旋回角度
３６  空気スワラ
【図１】
2005300019.tif 000004
【図２】
2005300019.tif 000005
【図３】
2005300019.tif 000006
【図４】
2005300019.tif 000007
【図５】
2005300019.tif 000008
【図６】
2005300019.tif 000009
【図７】
2005300019.tif 000010
【図８】
2005300019.tif 000011
【図９】
2005300019.tif 000012
【図１０】
2005300019.tif 000013